露天煤矿截水帷幕效果检验方法及截水效果分析_王海.pdf

第 48 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.4 2020 年 8 月 COAL GEOLOGY 2. Shaanxi Key Laboratory of Coal Mine Water Hazard Prevention and Control Technology, Xian 710077, China; 3. Dayan Company of China Energy Investment Corporation, Hulun Buir 021122, China; 4. Hulun Buir University, Hulun Buir 021122, China Abstract In order to reduce the water drainage of the studied open-pit mine, a curtain wall was constructed to cut off the river supply on the north side. According to the site construction conditions, four technologies were applied to construct the water cutoff curtain, such as the low-strength impermeable concrete under- ground continuous wall, HDPE impermeable film, ultra-high pressure angular variable speed jet grouting, and occluding pile. To test the effect of water cutoff curtain in the open-pit coal mine during construction, four surrounding well tests were carried out for three kinds of water cutoff curtain technologies, including low-strength impermeable concrete underground continuous wall, HDPE impermeable film and ultra-high pressure angular variable jet grouting. The test results show that the three technologies all had good wa- ter-blocking effects under the conditions of dynamic water and low temperature in the deep sand and gravel layer of the open-pit coal mine. The permeability coefficients respectively were 8.3410-7, 6.2810-7 and 7.8510-7 cm/s, which were basically consistent with the permeability coefficient obtained from the labora- tory test of raw materials. Under the joint action of four curtain technologies, the water discharge was reduced ChaoXing 88 煤田地质与勘探 第 48 卷 obviously and the water intercepting effect was remarkable. The surrounding well test plays an inspecting role in the process of water cutoff curtain construction. Keywords open-pit coal mine; surrounding well test; water cutoff curtain; permeability coefficient; effect test 2018 年，我国露天煤矿产量达 7.59 亿，占煤炭 总产量的 16.6[1]。 露天煤矿大多位于强富水强补给 的砂卵石层区域，地层渗透系数大，受地表河流侧 向补给。常采用疏排降水方法进行矿坑水疏降或疏 干，长时间大流量疏排降水，导致矿区周围地下水 位下降迅速、植被枯死、井泉干涸、土地荒漠化等 生态环境问题[2]。截水帷幕是露天煤矿减少疏排水 量、保护水资源的有效手段。数值模拟可分析、预 测截水帷幕的截水效果[3-4]，截水帷幕应用效果一般 需帷幕建成后才能具体体现出来，等待时间长，施 工过程中无法验证帷幕效果。在施工现场往往采用 室内实验、现场取样来检测，检测效果具有一定的 局限性。施工过程中通过受注介质变化和帷幕内外 水文地质单元差异[5]、流场观察法、抽水试验法、 取心验证法和疏排水量分析法[6-7]评价帷幕阶段性 截水效果[8-13]。为及时、客观、精确评价露天煤矿 截水帷幕截水效果，笔者提出一种基于围井试验的 露天煤矿截水效果检验方法。为检查帷幕墙的防渗 效果，以被检查的帷幕墙段为一边，在其一侧用同 样的方法构筑封闭形井状结构物[14]，进行抽水或注 水试验检验帷幕墙截水效果[15-18]。因此，采用围井 试验可以及时进行露天煤矿截水帷幕的工艺检验、 施工过程控制和阶段性施工效果检验，评价帷幕墙 稳定性和可靠性，分析帷幕截水效果。 1 工程概况 露天煤矿位于内蒙古呼伦贝尔大草原，矿区海 拔标高626～687 m，主要开采 9 煤，开采过程一 直采用疏干井强排方式对地下水进行疏降。目前采 坑疏干井 37 口，坑下水位维持在505 m，继续疏降 非常困难，拟采用截水帷幕替代传统的露天煤矿疏 排降水方案。 1.1 地层条件 研究区总体地势南高北低， 南部为低山丘陵区， 地表被草原植被覆盖，地貌单元属冲击平原[1]。如 图 1 所示，地表腐殖土厚约 0.5 m，腐殖土下为细砂 层，厚约 3.5～6.5 m，卵砾石层厚 0～38 m、渗透性 好，粒径 1～5 cm，次圆状，分选好，含少量细砂， 渗透系数达 80～180 m/d。棕褐色黏土、含砾黏土的 厚度变化大，塑性强并含有铁锰结核及少量砂粒、 小砾石。黏土密度为 1.72～2.05 g/cm3，内摩擦角 18～23，黏聚力 17～25 kPa，隔水性能较好。 浅部泥岩质软、具塑性、强度低，中深部较坚 实、具硬塑、强度增高。泥岩层理、节理和微裂隙 比较发育，裂隙面光滑，密度为 1.86～2.18 g/cm3， 内摩擦角 24.0～31.4，黏聚力 0.08～0.63 MPa，单向 抗压强度 0.15～3.10 MPa。伊敏组 9 煤组光泽暗淡、 含丝炭、木质结构、性脆。在地应力的作用下产生 了纵横交错的裂隙，煤的节理和层理发育，煤心多 呈短柱状、碎块或片状，煤层为主要储水介质，断 层又为地下水的运动和储存提供条件。 图 1 露天煤矿地层结构示意 Fig.1 Schematic diagram of strata structure in the open-pit mine 第四系底板至 9 煤组顶板之间的泥岩、粉砂质 泥岩、碳质泥岩、含砾黏土等为稳定隔水层，由 于黏土、泥岩等隔水岩层沉积不均一，局部缺失区 构成含水层水向煤层直接渗透的天窗区。 1.2 截水帷幕方案 矿坑疏排水量主要由露天煤矿北侧海拉尔河 河水通过第四系强渗透砂卵石层沿煤层隐伏露 头动态补给组成，动态补给量占疏排水总量的 82以上。采用截水帷幕可减少露天煤矿矿坑疏 排水量、实现矿坑安全生产、保护草原水资源和 生态环境。 如图 2 所示， 帷幕全长 5 815 m， 深度 21～56 m。 受复杂地层条件、301 国道、地埋光缆、架空高压 线缆、排水管道等影响，帷幕全线采用地下混凝土 连续墙、防渗膜、超高压角域变速射流注浆、咬合 桩 4 种工艺构建帷幕，其中，低强度抗渗混凝土地 下连续墙、HDPE 防渗膜和超高压角域变速射流注 浆工艺为首次在露天煤矿帷幕应用。 ChaoXing 第 4 期 王海等 露天煤矿截水帷幕效果检验方法及截水效果分析 89 图 2 露天煤矿截水帷幕平面 Fig.2 Plane sketch of water barrier curtain in the open-pit coal mine 2 围井试验方案 受露天煤矿疏降水影响，帷幕区域的水力梯度为 0.012～0.033，地下水流速 1.20～5.94 m/d，地下水温为 5℃， 且在帷幕构建过程中， 水力梯度和水流速度不断 增大。因此，受低温、动水和复杂地质条件影响，多 工况的帷幕施工过程效果难以预测，亟需进行现场效 果检验，以评价各工况的应用效果。 2.1 结 构 针对露天煤矿截水帷幕工艺特点，分别构建如 图 2 所示低强度抗渗混凝土、HDPE 防渗膜和超高 压角域变速射流注浆 3 种工艺的 4 个帷幕墙围井。 混凝土围井在截水帷幕背水侧构建长 2 m、 宽 2 m 的低强度抗渗混凝土帷幕围井， 如图 3 所示， 图 3 低强度抗渗混凝土围井平面 Fig.3 Plane sketch of surrounding well test with low strength impermeable concrete 墙厚 0.8 m、深度 53 m，墙底入 9 煤底板 2 m。混 凝土采用研发的低强度抗渗混凝土，水胶比值 0.68、砂率为 45，1 m3混凝土中水泥 180 kg、 粉煤灰 200 kg、膨润土 20 kg、砂 720 kg、石子 880 kg、外加剂 11.4 kg。低强度抗渗混凝土 28 d 抗 压强度达 8.1 MPa，渗透系数达 5.310-7 cm/s。 如图 4 所示的 HDPE 防渗膜围井 a 采用原状砂 砾石回填防渗膜与槽壁空隙，在截水帷幕背水侧构 建长 2 m、宽 2 m 的围井，墙厚 0.8 m、深度 48 m， 墙底入 9 煤底板 2 m。 图 4 原状砂砾石回填防渗膜围井平面 Fig.4 Plane sketch of surrounding well test with HDPE impermeable film backfilled undisturbed gravel 如图 5 所示，HDPE 防渗膜围井 b 采用防渗材 料充填，在截水帷幕迎水侧构建长 5 m、宽 3 m 的 围井， 墙厚 0.6 m、 深度 46 m， 墙底入 9 煤底板 2 m。 ChaoXing 90 煤田地质与勘探 第 48 卷 防渗材料采用自主研发的高掺量粉煤灰防渗材料， 水固比 0.7︰1.0，水泥︰粉煤灰︰膨润土︰外加剂 20︰80︰2︰2，28 d 强度达到 3.9 MPa，渗透系数 2.410-6 cm/s；90 d 强度达到 4.5 MPa，渗透系数 7.9 10-7 cm/s。 图 5 防渗材料充填防渗膜围井平面 Fig.5 Plane sketch of surrounding well test with HDPE impermeable film backfilled impermeable material 如图 6 所示，超高压角域变速射流注浆围井在 截水帷幕迎水侧构建长 2.5 m、宽 1 m 的围井，桩体 直径 2 m，超高压角域变速射流注浆成半圆形，桩 与桩搭接 0.5 m。 图 6 超高压角域变速射流注浆围井平面 Fig.6 Plane sketch of surrounding well test with ultra-high pressure angular variable speed jet grouting 2.2 试验方法 根据 DL/T 52002019水电水利工程高压喷 射灌浆技术规范中围井法检查帷幕墙渗透性能的 方法，在围井中心部位钻孔，下入过滤管，在管内 进行抽水或注水试验[14]，如图 7 所示。 在透水地层中进行围井抽水或注水试验，帷 幕墙的渗透系数 K 按式1进行计算。 00 2 - Qd K L HhHh 1 式中K为渗透系数，m/d；Q为抽水或注水量， m3/d；d为帷幕墙平均厚度，m；L为围井周边帷幕 墙轴线长度， m； H为围井内试验水位至井底的深度， m；h0为地下水位至井底的深度，m。 图 7 围井抽水注水试验示意 Fig.7 Schematic diagram of pumpingwater injection test for surrounding well test 3 不同围井抽注水试验 3.1 低强度抗渗混凝土围井试验 低强度抗渗混凝土围井四周均采用低强度抗渗 混凝土，塌落度 22.5 cm，抗压强度 8～10 MPa，渗 透系数达到 5.310-7 cm/s。 低强度抗渗混凝土围井初始抽水量为 17.33 m3/h， 稳定抽水量为 0.34 m3/h，围井外水位埋深 10.0 m， 围井内钻孔水位降深 33.0 m，围井周边帷幕墙轴线 长度 11.2 m。根据式1计算得低强度抗渗混凝土围 井的渗透系数为 8.3410-7 cm/s。 3.2 HDPE 防渗膜围井试验 3.2.1 原状砂砾石回填的 HDPE 防渗膜围井 如图 4 所示，原状砂砾石回填 HDPE 防渗膜围 井长 2 m、宽 2 m，周边帷幕墙轴线长度 11.2 m。 HDPE 防渗膜围井迎水面一侧采用 HDPE 防渗 膜，厚度 1.5 mm，抗穿刺，拉伸性能好，抗渗性好， 每幅 HDPE 防渗膜宽 6 m，2 幅 HDPE 防渗膜间搭 接 3 m，采用原状砂砾石回填槽段，压密 HDPE 防 渗膜搭接段。防渗膜围井背水面 3 侧采用低强度抗 渗混凝土，塌落度 22.5 cm，抗压强度 8～10 MPa， 渗透系数达到 5.310-7 cm/s。 回填原状砂砾石的防渗膜围井初始抽水量为 16.05 m3/h，稳定抽水量为 5.47 m3/h，围井外水位埋 深 8.4 m，围井内钻孔水位降深 25.58 m，围井周边 帷幕墙轴线长度 11.2 m。根据式1计算得砂砾石原 状土的防渗膜围井渗透系数为 1.7110-5 cm/s。 3.2.2 防渗材料填充的 HDPE 防渗膜围井 如图 6 所示，防渗材料充填的 HDPE 防渗膜围 井长 5 m、 宽 3 m， 围井周边帷幕墙轴线长度 18.4 m。 如图 5 所示，HDPE 防渗膜围井迎水面一侧采 用 2 幅 4 m 宽的 HDPE 防渗膜，每幅 HDPE 防渗膜 搭接 1 m，帷幕轴线每幅 HDPE 防渗膜宽 8 m，采 ChaoXing 第 4 期 王海等 露天煤矿截水帷幕效果检验方法及截水效果分析 91 用防渗材料填充槽段，压密 HDPE 防渗膜搭接段。 HDPE 防渗膜围井左、右两侧采用 4 m 宽的 HDPE 防渗膜 U 型铺设在槽段内，防渗材料充填槽段。 HDPE 防渗膜围井背水面一侧铺设 8 m 宽 HDPE 防 渗膜，每幅 HDPE 防渗膜搭接 1 m，防渗材料充填 槽段。防渗材料流动度 22 cm，强度 2.5～4.0 MPa， 渗透系数达到 10-6 cm/s。 充填防渗材料的 HDPE 防渗膜围井初始抽水量 为 3.5 m3/h，稳定抽水量为 0.396 m3/h，围井外水位 埋深 8.9 m，围井孔内水位降深 25.6 m，围井周边帷 幕墙轴线长度 18.4 m。根据式1计算得充填防渗材 料的防渗膜围井渗透系数为 6.2810-7 cm/s。 3.3 超高压角域变速射流注浆帷幕围井试验 如图 7 所示，超高压角域变速射流注浆帷幕围 井长 2.5 m、 宽 1 m， 围井周边帷幕墙轴线长度 9.4 m， 超高压角域变速射流注浆桩体直径 2 m，超高压角 域变速射流注浆成半圆形，桩与桩搭接 0.5 m，超高 压角域变速射流注浆帷幕墙有效厚度不低于 0.6 m、 深度 25 m，墙底入黏土隔水层 1 m。 超高压角域变速射流注浆帷幕围井四周均采用 MJS 喷射桩径 2.0 m、 桩间距 1.5 m、 桩间搭接 0.5 m 的半圆形柱体。桩体材料的水灰比 1︰1、水泥掺量 40，喷射压力 40 MPa。 超高压角域变速射流注浆帷幕围井首先采用 2 次抽水试验进行效果检验，抽水量由 3.5 m3/h 迅速 减少，无法持续抽水，因此，改用注水试验进行围 井效果检验。稳定注水量为 0.015 m3/h，围井外水位 埋深 15.95 m，围井内钻孔水位埋深 12.5 m，围井周 边帷幕墙轴线长度 9.4 m。根据式1计算得超高压角 域射流注浆帷幕围井渗透系数为 7.8510-7 cm/s。 3.4 围井试验结果分析 根据 4 个帷幕围井试验结果表 1可知， 渗透系 数最大相差 2 个数量级。由表 1 可知，低强度抗 渗混凝土围井的抗渗性能较好， 渗透系数为 8.34 10-7 cm/s，是低强度抗渗混凝土室内实验渗透系数 5.3010-7 cm/s 的 1.57 倍。初步分析，围井渗透系 数较原材料降低的原因为每段低强度抗渗混凝土墙 的搭接质量较差， 墙体不完整， 降低了整体抗渗性能。 同时， 低强度抗渗混凝土材料成本较高， 施工现场原 料无法满足露天煤矿帷幕大规模应用需求。 表 1 帷幕墙围井抽水注水试验结果 Table 1 Results of pumpingwater injection test of surrounding well of the curtain wall 围井类型 Q/m3d-1 d/m L/m H/m h0/m K/cms-1 混凝土 8.16 0.8 11.2 8.0 41.0 8.3410-7 防渗膜砂砾石 131.23 0.8 11.2 12.0 37.6 1.7110-5 防渗膜防渗材料 9.50 0.6 18.4 9.5 35.1 6.2810-7 射流注浆 0.36 0.6 9.4 11.5 8.5 7.8510-7 为降低材料成本，提高帷幕抗渗性能，现场进 行了 HDPE 防渗膜垂向叠覆铺设与砂砾石原状土或 防渗材料结合的方案试验。由表 1 可见，防渗效果 最差的为 HDPE 防渗膜与砂砾石原状土结合的帷 幕，渗透系数为 1.7110-5 cm/s，表明每幅 HDPE 防 渗膜之间搭接 3 m，槽段内回填砂砾石原状土的截 水效果较差。施工过程中根据围井试验结果，将 HDPE 防渗膜与砂砾石原状土结合的帷幕方案调整 为 HDPE 防渗膜与防渗材料结合的帷幕方案。由表 1 可知，方案调整后的 HDPE 防渗膜与防渗材料结合的 帷幕防渗效果最好，渗透系数达到 6.2810-7 cm/s，较 防渗材料的渗透系数2.410-6 cm/s降低1个数量级， 防渗膜提高了复合防渗材料的抗渗性能，同时，防 渗材料弥补了每幅 HDPE 防渗膜搭接的缝隙，实现 了强强联合，提高了帷幕防渗性能，降低了材料成 本，提升了施工效率。 在地埋光缆、国道、高压线缆附近采用超高压 角域变速射流注浆方案，由现场围井试验可知，摆 喷帷幕围井周边的帷幕轴线长度较短，围井体积较 小，抽水试验无法正常开展，注水试验表明其抗渗 效果很好，渗透系数 7.8510-7 cm/s，但摆喷帷幕的 施工效率低、材料成本高，仅适用于双轮铣、液压 抓斗等设备无法施工的特殊场地。 4 截水帷幕效果 截至 2019 年 10 月，研究区露天煤矿完成了 如图 2 所示的地下混凝土连续墙、防渗膜、超高 压角域变速射流注浆、咬合桩 4 种工艺构建的截 水帷幕。 根据 GB 504872008 水利水电工程地质勘察 规范中渗透系数 K 值分类[19]表 2可知，充填防 渗材料的防渗膜截水帷幕、超高压角域变速射流注 浆截水帷幕、低强度抗渗混凝土连续墙的渗透系数 均达到 10-7 cm/s，截水帷幕的渗透性级别为极微透 ChaoXing 92 煤田地质与勘探 第 48 卷 表 2 透水性按渗透系数 K 的分类 Table 2 Permeability classification by the permeability coefficient K 不同等级 K/cms-1 极微 微 弱 中等 强 极强 K＜10-6 10-6≤K＜10-5 10-5≤K＜10-4 10-4≤K＜10-2 10-2≤K＜1 K≥1 水；经过现场施工过程中各工况的围井试验检验， 地下混凝土连续墙、防渗膜防渗材料、超高压角 域变速射流注浆的帷幕墙抗渗性与设计参数基本吻 合，满足露天煤矿截水要求。 通过 4 种工艺截水帷幕的多处钻孔取心资料可 以看出图 8，深厚砂卵石层低温、动水条件下的低 强度抗渗混凝土、防渗膜结合防渗材料、超高压角 域变速射流注浆、咬合桩均取心率高，RQD 达到 92以上，岩心连续、完整、密实。 图 8 截水帷幕岩心 Fig.8 The cores of the cutoff curtain 研究区露天煤矿的 5 815 m帷幕墙构筑完成后， 矿坑疏排水量较帷幕建造前大幅度减少[20]，露天煤 矿水资源得到保护，同时帷幕墙外水位逐渐抬升， 墙体内外两侧的水位差进一步拉大，确保了草原区 生产生活用水，矿区周边水资源和生态环境得到有 效保护。 5 结 论 a. 围井试验表明，在露天煤矿深厚砂卵石层动 水、低温条件下，低强度抗渗混凝土帷幕、HDPE 防渗膜垂向叠覆铺设结合防渗材料帷幕、超高压角 域变速射流注浆帷幕均具有良好的截水效果，渗透 系数达到 10-7 cm/s，抗渗性能良好。 b. 将 HDPE 防渗膜与砂砾石原状土回填的帷 幕方案调整为 HDPE 防渗膜与防渗材料充填的方案， 围井渗透系数降低 2 个数量级，达到 6.2810-7 cm/s， 抗渗性能提高，且材料成本较低强度抗渗混凝土大 幅降低。 c. 露天煤矿截水帷幕建造前或建造过程中，采 用围井试验可及时、准确地检验防渗材料及帷幕的 截水效果，反映截水帷幕建造质量，指导截水帷幕 材料和工艺的改进和优化。 d. 在低强度抗渗混凝土帷幕、HDPE 防渗膜垂 向叠覆铺设结合防渗材料帷幕、超高压角域变速射 流注浆帷幕和咬合桩帷幕的共同作用下，露天煤矿 疏排水量较帷幕建造前大幅度减少，露天煤矿水资 源和矿区周边生态环境得到了有效保护。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 李浩荡，佘长超，周永利，等. 我国露天煤矿开采技术综述及 展望[J]. 煤炭科学技术，2019，471024-35. 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